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新的“被动辐射冷却”材料

2019-02-26

近日,研究人员正在利用一种新的被动辐射冷却材料重新诠释这种古老的策略,以达到减少阳光和热量的目的。大多数的此类技术都无法利用现有的屋顶和墙壁,但是美国的一个研究团队现在已经制造出一种可以覆盖任何表面的冷却涂料,使温度降低约摄氏度。新涂料可以直接涂覆在任意质地物体的表面,还可与不同颜料结合呈现不同色彩。

 

 

    这一进展凸显了该领域的巨大进步,科罗拉多大学博尔德分校材料科学家Xiaobo Yin 说。他的团队开发了一种被动的辐射冷却塑料薄膜,并成立了一家名为Radi-Cool 的初创公司,旨在将其商业化。Yin 说,这些新材料在某些气候条件下可能会使冷却成本降低15%这是一个很大的数字。他说。在美国,有17% 的住宅用电用于空调,因此节省的开支可能是巨大的。

 

    白色涂料通常只反射大约80% 的可见光,而且它们仍然吸收紫外线和近红外射线,这些射线能够使建筑物变热。为了做得更好,新材料首先要结合能够反射几乎所有太阳光线的材料或结构,包括近红外射线,在某些情况下,甚至包括紫外线。此外,它们还需含有聚合物或其他物质,以便利用它们的化学成分,将额外的热量以13 微米的波长散发掉。大气不会阻挡这些波长的辐射,从而可以让材料在不加热周围空气的情况下将多余的热量有效地释放到空间中。

 

    2014 年,由加州帕洛阿尔托斯坦福大学的电气工程师Shanhui Fan 领导的研究团队在《自然》杂志上报告说,通过一种含有二氧化硅和二氧化铪的交替层,他们制造出一个高度反射的表面,能够比周围的空气温度低摄氏度。去年,Fan及其同事使用另一种材料——一种聚合物和银膜结合物——冷却用于空调的水。该团队表示,在夏季,这种技术有可能节省21% 的空调使用成本。自那以后,Fan 的团队成立了自己的初创公司SkyCool Systems

 

    Yin 和他的同事Ronggui Yang 去年又有了新的进展:一种里面嵌入了微小玻璃珠的塑料薄膜,能够使表面温度降低10摄氏度。而在澳大利亚,应用物理学家Angus Gentle和悉尼科技大学的Geoff Smith 2015 年报告说,一种由两种聚合物制成的凉爽的屋顶材料,在正午和夜间分别能够使屋顶比周围的空气温度低摄氏度和摄氏度。

 

    然而将这些涂层应用于屋顶和壁板材料仍然有一个问题。高度反光的化合物可以被整合到传统的木瓦和黏土瓦中,用于新的建筑物或翻新。但是对于现有的建筑物来说,要有更多的选择是比较困难的。而这就是新的被动冷却涂料的用武之地。

 

    哥伦比亚大学应用物理与应用数学系Yuan Yang Nanfang Yu 团队在新一期美国《科学》杂志上发表论文说,他们开发的新材料是一种多尺度微纳孔结构的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物,用这种材料制成的薄膜在太阳光波段具有96% 99.6% 的高反射率,在红外辐射窗口具有97% 的高辐射率,在白天无需电能即可实现制冷。测试结果显示,在光照充足的干燥环境中,薄膜表面温度可比环境温度低约5.9 摄氏度;在潮湿环境中,薄膜温度可比环境温度低约2.9摄氏度。

 

    据介绍,这种多孔薄膜中,聚偏二氟乙烯与空气折射率相差很大,可有效散射阳光,包括紫外光、可见光和近红外光,从而实现高反射率,不会被阳光加热微米多孔结构提高了材料的辐射率,增加了向外的热辐射。

 

    据了解,此前类似功能材料的制备多需要复杂的真空沉积设备,且难以直接覆盖在任意形状和质地的物体表面。新材料则具有成本较低、适用性强等优点,可直接涂覆在塑料、金属和木材等任意表面。Yang 表示,建筑物表面往往对颜色有所要求,这种材料可以和颜料结合在一起,呈现不同色彩的同时将阳光中的近红外光反射掉,和传统涂料相比,可显著降低建筑物的温度。它看起来很适合被广泛应用。”Gentle 说。加州劳伦斯·伯克利国家实验室的一位屋顶冷却专家RonnenLevinson 说,新涂料的价格大约是传统涂料的倍。但增加的成本带来了好处。Gentle 说:所有这些非常酷的涂层使得中午就像夜间一样凉爽。